JURNAL AUSTENIT VOLUME 3, NOMOR 2, OKTOBER 2011

~47~

DESAIN DAN UJI UNJUK KERJA KINCIR ANGIN

DalomStaf Edukatif Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Sriwijaya

Jl.Srijaya Negara Bukit Besar Palembang 30139Telp: 0711-353414, Fax: 0711-453211

ABSTRACT

Windmill power plant is one which is moved by wind energy, windmill designsdeveloped in this test using a blade from PVC material with a diameter of 2.2 m spanturbines as power using car alternator DC 12 Volt, Round the mill also depends onthe speed of the wind flow , the faster the flow of wind so the sooner the revolutiongenerated turbines. alternator used as wind power, with the average voltage isremoved the alternator produces a voltage of 2.096 volts

Keywords: Design, Test Performance, and wind turbines

PendahuluanEnergi diperlukan sekali olehmasyarakat yang sudah maju dalamjumlah yang besar dan dengan biayayang serendah mungkin. Energi anginterdapat dimana–mana, juga diIndonesia. Kita hanya perlu menguasaiteknologinya untuk dapatmemanfaatkan energi yang terkandungoleh angin, yang antara lain dapatdilakukan dengan menggunakangenerator angin. Dalam perkembanganindustri di Negeri Belanda kincir angintelah memainkan peranan penting.Seiring perkembangan ilmupengetahuan dan teknologi yangsangat pesat, mendorong bangsaIndonesia untuk melewati tahap–tahapperkembangannya agar dapat hidupsederajat dan tidak tertinggal denganbangsa–bangsa lain. Hal ini dapatdilihat munculnya berbagai macampembangunan, baik pembangunan fisikmaupun non fisik. Sarana danprasarana yang tidak asing lagi adalahpenyediaan energi listrik. Sarana inisudah banyak terdapat diseluruhwilayah Indonesia, bahkan hampirseluruh pelosok tanah air, hanya

sebagian kecil yang belum karena tidakdapat dijangkau dengan jaringan PLN.

Sumber energi listrik dapatdikelompokkan menjadi dua macamyaitu dapat diperbaruhi dan tidak dapatdiperbaruhi. Pembangkit listrik yangdapat diperbaruhi seperti; pembangkitlistrik yang digerakkan oleh tenagasurya, energi gelombang laut danenergi angin, saat ini masihdikembangkan secara terbatas diIndonesia. Sedangkan pembangkitlistrik yang tidak dapat diperbaruhiseperti: Pembangkit Listrik Tenaga Air(PLTA), Pembangkit Listrik TenagaDiesel (PLTD), Pembangkit ListrikTenaga Gas (PLTG), PembangkitListrik Tenaga Nuklir (PLTN), dan lainsebagainya. Dikhawatirkan energi inisemakin lama semakin berkurang.

Pemanfaatan sumber daya alam laindimungkinkan dapat digunakan sebagaipembangkit tenaga listrik. Pemenuhanenergi listrik di daerah terpencil, daerahyang tidak dapat dijangkau denganjaringan PLN. Energi listrik yang cocok,dan yang paling efisien adalah

VOLUME 3, NOMOR 2, OKTOBER 2011 JURNAL AUSTENIT

~48~

pembangkit listrik tenaga angin danpembangkit listrik tenaga surya. Hal iniditunjang dengan letak negaraIndonesia yang terletak didaerahkhatulistiwa memungkinkanpemanfaatan energi surya untuk diubahke energi listrik, karena sinar suryabersinar sepanjang tahun.

Metode yang digunakan dalam rancangbangun tugas akhir ini meliputi metodeObservasi yaitu dengan cara mencariinformasi data kecepatan angin(potensi angin), metode literatur yaitudengan mencari data-data pada bukuserta internet yang ada hubungannyakincir angin, dan mendesain sertamerancang kincir angin.

Tinjauan PustakaEnergi angin telah lama dikenal dandimanfaatkan manusia. Perahu-perahulayar menggunakan energi ini untukmelewati perairan sudah lama sekali.Dan sebagaimana diketahui, padaasasnya angin terjadi karena adaperubahan suhu antara udara panasdan udara dingin. Di tiap daerahkeadaan suhu dan kecepatan anginberbeda. Untuk mengurangiketerbatasan penggunaan energi yangtak terbaharukan dalam pembangkitanenergi listrik khususnya makadiperlukan energi-energi alternatif lainsebagai penggantinya. Dalam rangkamencari bentuk-bentuk sumber energialternatif yang bersih dan terbarukankembali energi angin mendapatperhatian yang besar.

Seperti yang telah dijelaskan, Anginadalah udara yang bergerak daritekanan udara yang lebih tinggi ketekanan udara yang lebih rendah.Perbedaan tekanan udara disebabkanoleh perbedaan suhu udara akibatpemanasan atmosfir yang tidak merataoleh sinar matahari. Karena bergerakangin memiliki energi kinetik. Energi

angin dapat dikonversi atau ditransferke dalam bentuk energi lain sepertilistrik atau mekanik denganmenggunakan kincir atau turbin angin.Oleh karena itu, kincir atau turbin anginsering disebut sebagai Sistem KonversiEnergi Angin (SKEA).

Semua energi yang dapat diperbaruidan berasal dari matahari, kecuali(panas bumi). Matahari meradiasi 1,74x 1014 kw jam energi ke bumi setiapjam (bumi menerima 1,74 x 1017 wattdaya). 1-2 % dari energi tersebutdiubah menjadi energi angin. Jadi,energi angin merupakan bentuk tidaklangsung dari energi matahari, karenaangin dipengaruhi oleh pemanasanyang tidak merata pada kerak bumioleh matahari angin sebagai energipotensial energi angin dapatdimanfaatkan sebagai pengganti bahanbakar fosil. Ketersediannya dia alamcukup banyak dapat diperoleh secaragratis di alam.

Dalam pemanfaatannya secaralangsung tidak menimbulkanpencemaran udara atau dengan katalain pemanfaatannya ramahlingkungan. Pemanfaatan angin untukenergi terbagi atas dua bentuk tenagautama, yaitu : sepenuhnya mekanik,seperti pompa air atau penggeraklainnya, listrik dengan memanfaatkanpembangkit listrik tenaga angin.Berdasarkan data dari WWEA ( WorldWind Energi Association), sampaidengan tahun 2007 perkiraan energilistrik yang dihasilkan oleh turbin anginmencapai 93,85 Giga wattmenghasilkan lebih dari 1% dari totalkelistrikan secara global. Amerika,Spanyol dan China merupakan negaraterdepan dalam pemanfaatan energiangin. Diharapkan pada tahun 2010total kapasitas pembangkit listriktenaga angin secara global mencapai170 GigaWatt.

JURNAL AUSTENIT VOLUME 3, NOMOR 2, OKTOBER 2011

~49~

Adanya perbedaan suhu antara wilayahyang satu dengan wilayah yang laindipermukaan bumi ini menyebabkantimbulnya angin. Wilayah yangmempunyai suhu tinggi (daerahkhatulistiwa) udara menjadi panassehingga mengembang dan menjadiringan, akibatnya bergerak keatasmenuju wilayah yang mempunyai suhulebih rendah (daerah kutub).Sebaliknya di wilayah yang mempunyaisuhu rendah, udaranya menjadi digindan bergerak turun ke wilayah yangmempunyai suhu panas. Dengandemikian, terbentuk perputaran udarayaitu perpindahan udara dari daerahkhatulistiwa ke daerah kutub dansebaliknya dari daerah kutub ke daerahkhatulistiwa.

Perpindahan udara atau gesekan udaraterhadap permukaan bumi inilah yangdisebut angin (Harun, 1987).Perbedaan suhu di permukaan bumi dikarenakan penyinaran matahari kebumi dan peredaran bumi terhadapmatahari. Oleh karena itu adanya anginpada suatu wilayah tergantungperbedaan suhu, sehingga dapatdikatakan secara periodik angin disuatu wilayah dibangkitkan kembaliselama ada perbedaan suhu olehpenyinaran matahari. Atas dasar haltersebut angin dapat di katakansebagai sumber daya energiterbarukan. Dan untuk mengetahuisuatu energi yang dibangkitkan olehangin selama perjam dapat dinyatakandengan rumus:

W = P x t................................(1)

Untuk mengetahui daya atau energiyang dikeluarkan oleh alternatorberdasarkan kecepatan angin dandiameter baling-baling (telah diketahui

dan diameternya 1,5 m) dapatdinyatakan dengan rumus :

P = 1/12 .V3 .D2 watt...............(2)

Energi yang dimiliki oleh angin dapatdidapat dari persamaan :

Daya = ½ . ρ . A . V3 ........ (3)

Energi kinetik angin adalah energi yangdimiliki suatu benda akibat gerakannya.Energi kinetik angin adalah :

(W) = ½ mV2 ..................(4)

Angin yang menggerakkan sudumerupakan udara yang bergerak danmempunyai massa, sehingga dapatdituliskan sebagai berikut:

= ρ x A x d.........................(5)

Dalam mendesain kincir angin harusmempertimbangkan berapa besar dayayang butuhkan, kemudian kecepatanangin, dan yaitu berapa jumlah bladeyang harus digunakan, hal pertamayang diperhatikan dalam desain kincirangin adalah TSR (Tip Speed Ratio)atau perbandingan kecepatan di tiapkincir angin (ujung) dan kecepatanangin yang didapat oleh kincir.Menghitung TSR (λ) dapat menggunakan persamaan :

ω x Rotor/v = λ ...............(6)

Torsi dari sebuah kincir angin dapatdihitung menggunakan persamaan:

TORQUE= V2.R3/λ2……......(7)

TSR mempengaruhi kecepatan putarankincir (rpm). Hubungan TSR dengankecepatan yaitu :

Kecepatan pada poros Shaft speed(SS)

VOLUME 3, NOMOR 2, OKTOBER 2011 JURNAL AUSTENIT

~50~

SS= 60λv/(πD) rpm ............(8)

Diameter suatu rotor kincir angin dapatpula diperoleh melalui sebuahperhitungan. Persamaan untukmenghitung Diameter suatu rotor kincirangin yaitu:

D = (Px(47λxRPM)^3)^0.2 ..... (9)

Untuk menentukan jumlah blade yangdigunakan, dapat digunakanpersamaan:

B= 80/λ2 ............ (10)

Dalam menentukan diameter danjumlah blade untuk kincir angin harusmemperhitungkan sudut blade (β)karena fungsi utama kincir angin adalahuntuk menghasilkan daya listrik.

PembahasanKincir yang di desain dilakukanpengujian, data yang diambil daripengujian tersebut meliputi kecepatanangin, putaran pada poros kincir,putaran pada poros alternator dantegangan yang dihasilkan. Data inidiambil dengan mengukur langsungpada kincir yang didesain, adapun hasilpengukuran dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Data Hasil Pengukuran.No. Kecepatan

Angin (m/s)n1 (rpm)poros

n2 (rpm)Alternator

VVoltage

1 1,01 231,2 722,5 1,162 1,34 252,6 789,375 1,323 0,91 212,8 665,1 1,054 1,51 274,7 858,437 1,495 2,28 412,5 1289,0 2,496 0,89 201,9 630,937 1,027 1,42 259,6 811,25 1,398 6,23 614,2 1919,375 6,349 2,14 389,7 1211,875 2,3710 1,77 329,1 1028,43 1,89

Rata-rata 1,95 317,83 2,096

Dari tabel diatas semakin tinggi kecepatan angin akan semakin besar tegangan listrikyang dihasilkan, hal ini berhubungan dengan besarnya putaran yang terjadi padaporos alternator untuk lebih jelas dapat dilihat pada gambar berikut :

Gambar 1. Perbandingan kecepatan angin dan daya yang dihasilkan alternator

JURNAL AUSTENIT VOLUME 3, NOMOR 2, OKTOBER 2011

~51~

Demikian juga hubungan antara kecepatan yang terjadi pada poros alternatorsemakin cepat putaran makan tegangan yang terjadi akan semakin besar, putaranpada poros berpengaruh besar terhadap tegangan yang terjadi sehingga akanmenghasilkan daya listrik yang lebih besar dari sebelumnya.

Grafik 2. Perbandingan Putaran poros dan daya yang dihasilkan alternator

Pengujian ini dilakukan pada sore hari,hal ini dmempertimbangkan peralatanpengukur putaran (tachometer) tidakberfungsi, karena sinar infra merahyang dipancarkan alat tersebut kalahdengan sinar matahati yangmenyebabkan alat tersebut tidak dapatmembaca hasil.

Menurut hasil pengujian, hasilpercobaan yang ke 8 merupakan hasilyang terbesar dengan hasil 6,34 voltdan kecepatan angin 6,23 volt.Sedangkan data yang terkecil padapercobaan ke 6 dengan hasil 0,91 voltdan kecepatan angin 0,89. Rata- ratavoltage yang di dapat adalah 2,096 volt.Berdasarkan grafik, semakin tinggikecepatan angin maka tegangan yangdihasilkan alternator juga semakinbesar.

Perhitungan perbandingan daya antarahasil pengujian dan hasil data teoritis,perhitungan ini mempergunakan datadari BMKG Kenten Palembang, angindidaerah Palembang dan sekitarnyakecepatan angin V = 2,7 knot =1,387m/s=1,39m/s dan daimeter kincir= 2,2 m, sehingga ;

Daya angin (P) = ½ . ρ . A . V3

= 0,5 . 1,2 . 3,14 . 1,393

= 5,06 WattSedangkan kecepatan anginmaksimum = 25 knot =12,85 m/s,sehingga daya angin maksimum adalah

Daya angin = ½ . ρ . A . V3

= 0,5 . 1,2 . 3,14 . 12,853

= 845,851 Watt

Sedangkan kecepatan angin hasilpengujian angin rata-rata V = 1,95 m/s,sehingga daya angin hasil perhitungan

Daya angin = ½ . ρ . A . V3

= 0,5 . 1,2 . 3,14 . 1,953

= 13,2 Watt

Sedangkan kecepatan anginmaksimum hasil pengujian adalah V =6,23 m/s sehingga daya angin hasilperhitungan.

Daya angin = ½ . ρ . A . V3

= 0,5 . 1,2 . 3,14 . 6,233

= 455,56 Watt

VOLUME 3, NOMOR 2, OKTOBER 2011 JURNAL AUSTENIT

~52~

Kesimpulan dan SaranKincir merupakan sebagai penerusputaran dari aliran angin yang mengalir,sehingga kincir dapat berputar danmengubah tenaga potensial anginmenjadi energi mekanik untukmenggerakkan poros serta untukmenggerakkan pulley pada alternatoryang dapat menghasilkan energi listriksearah (DC). Putaran Pada kincir jugatergantung pada kecepatan anginmengalir, semakin cepat aliran anginmaka semakin cepat pula putaran yangdihasilkan kincir tersebut. alternatordimanfaatkan sebagai pembangkitlistrik tenaga angin, dengan teganganrata-rata yang dikeluarkan alternatormenghasilkan tegangan sebesar 2,096volt

SaranUntuk menghasilkan energi listrik yanglebih maksimal alternator yangdipergunakan sbaiknya yang khusus

sebagai pembangkit tenaga, sehinggapada putaran rendah energi listrik dapatdihasilkan, akan tetapi jenis alternatorini sangat mahal terutama untuk jenisarus listrik bolak-balik (AC).

DAFTAR PUSTAKANippondenso. 1980. “Alternator”.

Semarang.

Sularso, MSME. Ir., suga, kiyokatsu.2002. “Dasar Perencanaan DanPemilihan Elemen Mesin”.Jakarta: PT Pradnya Paramita.

Khurmi, RS., Gupta, J.K. 1982. “TextBook Of Machine Design”. NewDelhi: Eurasia LanguagesPublishing House, Ltd.

Wiley Eastern Limited. 1944.“Westermann Tables For TheMetal Trade”. New Delhi